optical online porovision control OPSS-1 at fast running fabrics

Since naturally porous web materials or web materials to be perforated are processed with speeds of up to 600 m/min by web widths of up to 2000 mm are used, pneumatic porosity control, hence measuring whilst touching the web are highly difficult. Further difficulties of pneumatic measurements are the disadvantages of rising of web tension, material abrasion, folding, leakage at measuring head, impurities, non linear processing, calibration problems and scanning effects.

Thus, optical measuring offers better ways for transmission measuring the pneumatic static permeability for naturally porous or nano, micro or macro perforated webs. The conditions mentioned above can be easily met by using the optical porosity or porovision control technology thanks to the mentioned product processing and online control, extremely small pore dimensions, relatively high track speeds and a good value repetition.

That full independent from principle material facts as consistence, thickness, weight, coloring, formation, smoothness, brightness, opacity, and other influences. Patent pending for process and device DE10251610 - China patent grant 200310104764.

Therefore, IPM – International Perforation Management – has developed a pending, stationary and transverse optical porovision control processes and systems which working with multiple color and wave length sensors, a precision line laser, scanning speeds from 20 – 200 mm per second, porosity ranges from 80 up to 3000 C.U., perforation lines detection by 0.1 mm, nano micro holes sizes from 500 nm up to 200 µm diameter and up to 250 holes/cm2.

To detect the multiple wave light transmissions and perforation profiles values to determine each envelope curves of porosity profiles and their integral values with a sensor internal DSP controller unit and Firmware simultaneously.

Thus direct feedback into the perforation system makes it possible to compensate any changes in terms of porosity and perforation locations so that each jumbo roll production up to 25,000.00 meters as well single or quad bobbin sets can be produced and controlled without intermediate stops and certificated in quantity, quality in order of ISO 9000/9001 or others production standards.

Working principle

The online quality control technique is performed to detect/scan zones, measurement areas or lines in using multiple colour sensors and a precise tiny line laser which are linked to sensor internal controller units. It controls roll or bobbin formats as stand-along or mechanical coupled devices on existent scanning units which measure material weight, thickness, formation, smoothness, roughness, opacity, etc. in web widths up to 6000 mm.

For lasers or electrostatic perforation in bobbins and wide paper webs online measuring procedure and their devices are indicated, with which same transverse movement and simultaneously collections of perforation positions, perforation profile quality and porosities with two different sensor systems and locations. Zone/line position detection/accuracy by 0.1 mm with a laser line unit, scanning speeds up to 300 mm/s, DSP controller firmware, high-speed serial link up to 230.400 bit/s, industry PC performance, C++ process/visualisation software for production quantity, quality, statistics, LAN to quality control centre, etc.

With transverse movements of both measuring systems across the web width, consisting of line laser to detect the quality and position of single holes, groups of holes or determined perforation zones and in the same time as the light transmission sensor unit monitors the porosity profiles and determined their integrals continuously.

Thus direct feedbacks to the perforation or machine system enable the trend compensation of arising changes that production rolls without intermediate stops are high quality and quantity controllable.

Applications

Jumbo roll-by roll production for offline micro laser or electro static perforation machines for web widths from 100 mm up to 2000 mm, porosity ranges from 80 C.U. up to 5,000 C.U. with feed backs to each perforation channel and automatic production control. The OPSS-1 system enables a production networking for laser or electrostatic perforation machines in quality and quantity aspects in order of ISO certifications.

As well for porous, filter, permeable paper, packaging, sack, fabrics or other webs at making, finishing, refining or other industry machines or processes.

Nano Micro technologies - incredible archipelagos of applications

Web material as regenerated cellulose films, filter, cigarette, tipping, roll-your-own RYO paper, transparent, coated special, bag or packing papers, bonded fabrics, spun bonded non-woven, technical textiles, fabrics, laminate with base weights from 20 g/m2 to up to 150 g/m2, up to 20 g/m2 LPDE coating films, are perforated electro statically nano, micro, or by laser (mechanical hot or micro needle) with micro or macro holes for wide range of application purposes.

Electrostatic NANO MICRO PERFORATION, based at micro discharging and sparking, Bluemlein and Plasma Tunnel effects with gas atomic ionization in Nanosecond time windows.

The pores are statistically irregularly distributed with size ranges from 100 nm up to 80 μm diameter and analogically, under LASER or micro macro PERFORATION, arranged in diameter sizes from 60 up 200 μm, at best non-inclined holes und rows of holes of diverse arrangement comprehension.

For the human eye invisible electrostatic nano or micro perforations may be arranged in areas as well as in zones with specific distances within its web. Controlled pore sizes in wide ranges from 100 nm to 80 µm diameters by holes sequences up to 16 million pores per second and 0.1 bis 3 mJ discharge energy for each Pore.

Arrangements of zones are usually carried out in width from 2 to 6 mm and pore density of 15 up to 250 pores per cm2 whereas the perforation of areas results in pore densities of up to 5 million pores per m2.

ESP perforations allow porosity levels from 80 to 2500 C. U., web widths from 100 to 2000 mm at web speeds of up to 500 m/min, depending on porosity and material consistency in relation to its ability to perforate.

Conventional laser perforation

Possible to perforate by pulsed and focused laser beams are holes sizes from 60 to 200 µm at density of holes of typical 10 to 30 holes per cm length, holes sequences up to 400.000 holes per second at a maximum of 32 hole rows by laser distributed over the width of the web with traditional systems or machines on the market.

Porosity levels from 100 up to 3000 C. U. by web widths up to 500 mm at web speeds of up to 600 m/min are archive able, depending on porosity and material consistency in relation to its ability to perforate.

IPM laser perforation processes

IPM owns development of LASER PERFORATION technology LPM-1 (patent grand DE102004001327) operates with quad laser beam inputs of 8 KW optical power input ( fast flow or SLAB laser with 10.6 μm wave length ) to an upper/lower dual beam multiplexer to generate up to 200 individual laser perforation beams/rows/lines across the web, combines automatic laser perforation head positioning, focus setting, by web speeds up to 400 m/min, web widths up to 2000 mm, up to 4,000.000 holes per second. Each laser perforation lines are archive able from 100 up to 2000 C.U.

Jumbo-roll-by-roll production, optical online porovision and simultaneous perforation line positioning control, full feed-back system for constant porosity levels are further features. Each laser perforated jumbo roll is ISO production data controlled, benefit and certificated.

Other industry areas
The conception of high power twin laser beam multiplexers enable many possibilities in other industry application fields as cutting, cut-offs, welding, surface finishing, drilling, polishing, forming, surface treatment, roughness improvement.

Each of the 200 single perforation head can be positioned in X directions across the running web or other laser treated material sheet, substrates, blocks etc.

The automatic processes, equipments and devises opening completely new possibilities in industry, science, military or space laser application. Patent grant of process and device with DE102004001327.

Further laser features

A patent pending Micro Laser Line perforation technology MLL-1 generates sinus, waves, zigzags or other kinds of perforations cryptograms, designs as multiple or quadruple pairs of micro laser lines in web direction. Hole, slot or star sizes in ranges from 60 up to 200 μm are possible. Provide for tipping, cigarette, packaging or other kind of paper, plastic film or other web material.

Special features of micro laser line perforation enables fundamental new product characteristic in scripts, e.g. for mouthpieces with tipping paper, CTP on cigarette filters, product indication with visible perforation holes, brand name, company logo, indications, anti counterfeiting designs, cryptogram, etc.

In addition for other industry, medical, science or military purposes, material and applications fields.

Patent pending for process, device and product property DE102004012081.

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Verfahren und Vorrichtung zur optischen Porositätsmessung und Positionsbestimmung

von Perforation mit einem Dual-Sensorsystem

Deutsche Patentanmeldung : DE 10251610.3 A1

Angemeldet am 6.11.2002

Offenlegung am 27.5.2004

Patentklassifikation : G01N 15/08

Erfinder : Werner Grosse

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Positionsbestimmung und Porositätsmessung von Perforationslochreihen und Perforationszonen in bewegtem Bahnmaterial, wobei die Lochreihen, Lochreihengruppen, Perforationszonen, Spuren oder Perforationsbereiche im wesentlichen parallel zur Transportrichtung der Bahn angeordnet sind.

Unter bewegtem Bahnmaterial sind im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung insbesondere Papier- oder anderweitig veredelte Bahnen zu verstehen, wie z.B. Zigaretten-, Mundstückbelag- und Kaffeefilterpapiere, Filterumhüllungspapiere so genannte Plug-Wraps, Sicherheitspapiere, holografisch bedruckte, foliengepresste, beschichtete oder metallisierte Papier- oder Verpackungsbahnen die zumindest im Bereich der unterschiedlichen Perforationen ein gewisses Maß an Gas- oder Wasserdurchlässigkeit aufweisen. Diese Bahnen werden als Rollen im Breitbahnformat oder als Schmalrollen, den so genannten Bobienen, aufgerollt und weiterverarbeitet.

Bei der elektrostatischen oder Laserperforation dieser Materialbahnen, hier als offline Betrieb gekennzeichnet, mit Bahnbreiten von 30 bis 2000 mm, bei Bahngeschwindigkeiten bis 600 m/min und bis zu 60 zusammengehörenden Perforationsbereichen treten durch verschiedene Einflüsse wie z.B. der Materialdicke, Dichten, Änderungen in der Konsistenz, Erwärmungen oder Verschmutzungen der Perforationsköpfe oder Elektroden auf, die unerwünschte Änderungen der Gasdurchlässigkeit, im weiteren Porosität genannt, verursachen. Diese Änderungen müssen quantitativ und qualitativ erfasst und regelungstechnisch ausgeglichen werden, um stets hohe Produktionsqualitäten zu erzielen.

Veränderungen in den Positionen der Lochreihen, Lochreihengruppen, der Lochqualität bei Laserperforationen sowie Zonenbreiten, Veränderungen der Zonenlagen, des Lochbildes oder größere Abweichungen in der Lochdichte bei der elektrostatischen Perforation außerhalb der Vorgabegrenzen sind nicht zulässig und benötigen eine zusätzliche inline Kontrolle und nach Möglichkeit auch eine automatische Korrektur durch das Perforationssystem.

Im weiteren dürfen die unterschiedlichen Materialeigenschaften, pinholes, Bedruckungen, Texturen, Streifen oder auch die äußeren Maschineneinflüsse keine Auswirkungen auf die Produktqualität hinsichtlich der Stabilität der erzeugten Perforationen und der Porosität haben. Und dies bei Produktionsrollen bis zu 25.000 Metern ohne jegliche Produktionsstopps.

Die meisten Hersteller und Verarbeiter dieser Bahnmaterialien sind nach ISO-9001 und ISO-9002 zertifiziert, so dass notwendigerweise bei allen fertig perforierten Rollen und Bobienen die wesentlichen Daten der Perforations- und Porositätskriterien mit ausgewiesen sein sollten.

Die wesentlichen Messparameter und Toleranzen für die optischen online Porosimeter der eingangs genannten Papierbasis-Materialbahnen lassen sich wie folgt zusammen fassen :

Materialflächengewichte : 16 – 100 g/m2
Materialbahndicken : 30 – 80 µm
Materialbedruckungen : unterschiedlichster Art und Positionen – außerhalb der Perforationsbereiche
Bahnbreiten : 40 – 2000 mm
Bahngeschwindigkeiten : bis zu 600 m/min
statische Porositätsmessung : Luftdurchsatzmeßsysteme, Borgwaldt oder Sodimat
physikalische Messeinheit der Gasdurchlässigkeit, hier als Porosität genannt : Coresta Units – ml/min/cm
Porositätsmessbereiche : 80 – 5000 C.U.
Porositätsauflösungen : +/- 3 C.U. - Messbereich von < 200 C.U.
Porositätsauflösungen : +/- 5 C.U. - Messbereich von 201 - 600 C.U.
Porositätsauflösungen : +/- 15 C.U. - Messbereich von 601 - 1000 C.U.
Porositätsauflösungen : +/- 30 C.U. - Messbereich von 1001 - 5000 C.U.
Lochgrößen und Dichten – elektrostatische Perforation : 20 – 100 µm, 30 – 250 L/cm
Lochgrößen und Dichten – Laser-Perforation : 60 – 300 µm, 5 – 30 L/cm
Breiten von elektrostatischen Perforationszonen : 2 – 6 mm
perforationsfreie Bereiche : 4 – 40 mm
Anzahl der Lochreihen von Laserperforationen : 1 – 8 = eine Lochreihengruppe
Positionsbestimmung Laserlochreihen : +/- 0.1 mm über die Bahnbreite
Positionsbestimmungen Perforationszonen/Spuren : +/- 0.2 mm über die Bahnbreite
Positionsbestimmungen von Perforationsfeldern : +/- 0.3 mm
Erkennung von Lochqualitäts- oder Veränderungen des Perforationsprofils : > 15 %
Erkennung von Änderungen in der Lochdichte : > 15 %
möglichst lückenlose, real time Porositätsmessung mit einer festen Messlänge z.B. 1 oder 2 cm2, für alle Lochreihengruppen, Perforationszonen oder Perforationsfelder
langzeitlich stabile, nicht abweichende Zuordnung der gemessenen optischen Porosität gegenüber der statisch-pneumatischen Luftdurchlässigkeit in C.U.

Unter diesem Hintergrund der online Messtechnologie und hohen Produktanforderungen ist die nachstehende Erfindung zu betrachten und sind deren vorteilhaften Lösungen erarbeitet.

Der derzeitige Stand der Technik für die hier zutreffende Perforationstechnik und optischen Porositätsme0verfahren ist in den Patenten : PCT/JP98/00890, EP 09.096.06A1, DE 44.037.589A, DE 29.18.283C2, DE 42.43.721C2, DE 19.616.019A1, EP 00.56.223, DE 28.04.975, DE 36.18.518, DE 43.02.137A1, EP 93.120.483.8, DE 197.29.005A1 und GB 2.149.092A wiedergegeben.

Unter der DE 41.12.878 C2 ist ein Messverfahren zur pneumatisch-statischen Messung der Luftdurchlässigkeit für derartige Materialbahnen eingehend beschrieben. Die pneumatischen Messergebnisse bilden die Basis für die Kalibrierung und Zuordnung der optisch gemessenen Porosität.

In der DE 44.21.962-C1 und DE 196.16.018-A1 sind weitere Verfahren und Vorrichtungen zur optischen Messung der Porosität an bewegten Bahnen, insbesondere Mundstückpapierbahnen die mit elektrostatischer Perforationen veredelt sind, beschrieben. Auch hier wird das Lichtdurchstrahlungsverfahren angewandt, wobei auf einer Bahnseite opto duale Porositätsmessköpfe mit den Lichtquellen auf der anderen Bahnseite die duale Sensorik aufgebaut ist.

Beide Einheiten sind mechanisch miteinander gekoppelt und überqueren die im Messspalt durchlaufenden Bahnen in Querrichtung mittels Verfahreinheiten. Bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder räumlich getrennten Sensorsystemen wird zeitlich getrennt und in mehren Verfahrabläufen die Positionsbestimmung und danach die optische Porosität im Spurverweilbetrieb bestimmt.

Die US 5.944.278 und US 5.341.824 Patentschriften beschreiben sehr ausführlich den Einsatz von stationären CCD-Zeilensensoren und optisch hoch auflösenden Kamerasystemen mit angekoppelter Bildverarbeitung zur indirekten Porositätsmessung von Laserperforationen bei extrem schnell laufenden Bobienenbahnen bis zu 1500 m/min.

Wie hoch deren Bildaufnahmen und Verarbeitungsgeschwindigkeiten dabei sein sollten, zeigt ein einfaches Berechnungsbeispiel bei der angegebenen Bahngeschwindigkeit bis zu 1500 m/min. Bei einer Einzelmesslänge von jeweils 2 cm, dies entspricht der statischen Messfläche, errechnet sich für eine lückenlose, stationäre Erfassung einer jeder Lochreihengruppe eine Bildsequenz von mindestens 1250 Bilder pro Sekunde, und bei gewünschten Einzelbildauflösungen der Lochgrößen im Bereich von 60 – 100 µm müssen die Belichtungszeiten noch kleiner als 1/10.000 Sekunde sein, was technologisch völlig unrealistisch ist.

Ein anderes Verfahren und Messprinzip ist von der Firma Sensoptic als analoges Lochdetektorsystem entwickelt und publiziert worden, welches das Vorhandensein von Einzellochreihen oder Lochreihengruppen der Laserperforationen mit ja/nein Entscheidungen bei Bahngeschwindigkeiten bis 200 m/min überwachen kann.

Alle bisherigen Verfahren und Vorrichtungen ermöglichen eine indirekte online Porositätsmessung mit zum Teil sequentieller Abtastung der Lochreihengruppen oder Perforationsspuren aber nicht zeitgleicher Orts- und Qualitätsbestimmung der Perforationen. Des weiteren führt deren zeitlich gestaffelter Messablauf zur Positionsbestimmung und Porositätsmessung, und dem von Perforationsspur zu Perforationsspur verfahrenden und dort kurzzeitig verweilender Messkopf zu erheblichen Zeitverzügen des gesamten Ablaufes. Dabei ist zu beachten, dass z.B. bei 36 Perforationsspuren, einer Zonenbreite von 3.0 mm und einer Bahnbreite von 1000 mm alle perforierten Spuren zusammen gerade 1/10 der Gesamtmaterialbreite belegen, und somit die Totzeit für das Verfahren extrem hoch sind.

Somit sind Lochqualitäts- und Perforationsprofilkontrollen und dem sich anschließenden Regelkreis oder Trendnachführungen für das Perforationssystem simultan nicht möglich, was bei dem hohem Automatisierungsgrad der Produktionsanlagen äußert nachteilig ist. Dies gilt im besonderen Maße für ein automatisiertes und schnelles Rüsten und Einstellen der Perforationsköpfe und Elektroden über die Bahnbreite hinsichtlich der Positionierung und Anfangsporosität, wie dies u.a. zur motorischen Unter- und Obermesserpositionierung von Rollenschneidanlagen bekannt ist.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile auszugleichen und technische Lösungen anzugeben, mit der simultan und zeitgleich die eingangs genannten Produktkriterien nach Möglichkeit in Echtzeit erfasst, aufgearbeitet, ausgewiesen und auf das Perforationssystem steuerungstechnisch und kompensatorisch einzuwirken, um so die physikalischen Größen in den vorgegebenen Grenzen zu halten.

Um zeitlich unverzögerte Messabläufe zu erzeugen, wurde bei diesem Verfahren und deren Vorrichtung der Analogtechnik mit hybrider Fotodiodentechnik und integrierten Vorverstärkern dem Vorzug gegenüber der CCD Zeilensensor- und Flächenkameratechnik gegeben, weil es nur so möglich ist, den kurzzeitigen Messabläufen und Abtastsequenzen von z.B. 20 KHz in real time und unverzögert zu folgen. In der nachstehenden Erfindungsbeschreibung sind hierzu einige Beispiele angeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur optischen Porositätsmessung und Positionsbestimmung von Perforationen mit einem Dual-Sensorsystem für laufende Bahnen löst die vorangestellte Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Danach werden mit dem Traversiersystem, ausgehend von einem festen Referenzpunkt außerhalb der Materialbahn, im ersten Messzyklus der Bahnüberquerung die Positionsbestimmungen der im Messspalt durchlaufenden Materialbahn von Bahnkante, Lochreihengruppen, Perforationsspuren oder Perforationsfelder durch den Linien- oder Punktlaser eines optischen Positionsbestimmungssystems im Durchstrahlungsverfahren durchgeführt. Dies ohne jegliche Zwischenstopps auf den jeweiligen Perforationslochreihen, Perforationsspuren oder Perforationsbereichen. Ein an den Traversierachsen schlupffrei angekoppelter Inkrementalgeber liefert dazu die hohe geometrische X-Achsenauflösung von z.B. 0.05 mm.

Zeitgleich zum ersten Messzyklus der Bahnüberquerung, detektiert das andere optische Porositätsmeßsystem, dass unmittelbar hinter dem Positionserfassungssystem mechanisch fest und auf gleicher X-Querachse angeordnet ist und eine deutlich größere Strahlausbildung hat, die optische Porosität aus den zuvor ermittelten Perforationsbereichen. Nachdem beide Meßsysteme die gegenüberliegende Bahnaussenkante erreicht haben, wird an dieser Stelle der zweite Referenzpunkt als Reversierpunkt außerhalb der Materialbahn für beide Meßsysteme definiert, wobei sich zum Rücklauf die Reihenfolge der von Ortbestimmung und Porositätsmessung umkehrt. Zum nächsten Messzyklus läuft dann die zuerst genannte Messreihenfolge als simultane Dualmessung ab. Dieser Messablauf wiederholt sich zyklisch mit ständigen Querbewegungen beider Messeinheiten, so dass ich aufgrund der beiden Relativbewegungen der in Y-Richtung durchlaufenden Bahn und in X-Achse quer verfahrenden Messköpfe Parallelogramme als Messlängenabschnitte für die Perforationen ergeben.

Erfindungsgemäß ist erkannt und durch eine Vielzahl von Untersuchungen und praktischen Messungen bestätigt worden, dass mit neuer Sensorik und insbesondere mit sehr feinen Linien- oder Punktlasern präzise Positionsbestimmungen bei hohen Querverfahrgeschwindigkeiten bis zu 200 mm/Sek. bei diesen Materialbahnen möglich sind. Dies zusammen und simultan mit einem zweiten Sensorsystem zur optischen Porositätsmessung, und speziell angepasster homogener Flächendurchstrahlung, so dass separate und zeitintensive Mehrfachdurchläufe zur Findung der Papierbahnkanten, Perforationsbereiche und Verweilzeiten zur Porositätserfassung gänzlich entfallen. Darüber hinaus sind weitere Produktinformationen, insbesondere durch die Lichtstrahlprofile mit scharfen Konturabgrenzungen, über die Qualität der Perforationen und Profile in den Signalverläufen beider Sensorsysteme enthalten und auswertbar.

Auf einfache Weise wird die Materialtransparenz vom Porositätsmeßsystem im Zwischenraum der Lochreihengruppen oder der Perforationsbereiche detektiert, dort wo sich vorzugsweise keine Texturen, Linienstrukturen oder Druckbereiche befinden, so dass zu jedem Verfahrzyklus ein Mittelwert aus n-Einzelwerten gebildet und bei der Berechnung eines jeden Porositätseinzelwertes als Untergrund Offset berücksichtigt wird.

Durch den Einsatz eines Traversiersystems mit zwei Verfahrachsen, dass mit einem gemeinsamen oder zwei synchron betriebenen Schrittmotoren, Linearmotoren oder DC-Servomotoren angetrieben sein kann, deren relativ hoher Verfahrgeschwindigkeit und der Kombination von präziser Positionsbestimmung der Perforationen, Qualitätskontrolle der Perforation bei zeitgleicher Porositätsmessung ist ein optimiertes und zugleich kompaktes online Meßsystem mit dieser Erfindung entstanden. Gleichermaßen sind die kompletten Systeme in vorhandene oder neue Produktionsanlagen relativ einfach und direkt nach der Perforationseinrichtung integrierbar. Z.B. bei Laserperforationsanlagen, auf denen drei bis maximal vier Bobienen gleichzeitig perforiert werden, weist die Traversiereinheit eine Verfahrbreite von ca. 250 mm, bzw. bei elektrostatischen Breitbahnanlagen, je nach Bahnbreite, 1200 bis 2000 mm auf.

Weitere Verfahrensvorteile dieser Erfindung ergeben sich aus dem zeitlich schnellen und unterbrechungsfreien Querverfahren beider Meßsysteme, z.B. bei Breitbahnen von 1200 mm in 5 – 8 Sekunden bei z.B. 40 Perforationslochreihengruppen oder Perforationsspuren, was messtechnisch ermöglicht, sowohl die Porositätsabweichungen wie auch Veränderungen der Perforationsqualität eines jeden Perforationsbereiches simultan zu erfassen und damit fast zeitlich unverzögert kompensierend auf das Perforationssystem einzuwirken.

Durch die in dieser Erfindung verwendete Analogtechnik beider Sensorsysteme lassen sich die hohen Anforderungen hinsichtlich der gewünschten Einzelmesslänge von 2 cm pro Lochreihengruppe oder Perforationsspuren bei Bahngeschwindigkeiten bis 600 m/min erfüllen. Danach bilden z.B. 300 Einzelmesspunkte die Hüllkurve für das optische Porositätsintegral für eine 4 mm breite Perforationszone, was unter Einhaltung des Abtasttheorems, hier z.B. 20 KHz, bei den auf dem Markt erhältlichen Multiprozessorkarten mit integrierten Analog-Digitalwandlungen bei zeitgleicher Einlesung der X-Achsen Inkrementalwerte und unter der Verwendung eines Master PC und getrennter Prozesssoftware problemlos machbar.

Dies ist eine grundsätzliche Voraussetzung für das automatisiertes Maschinenrüsten und Positionieren aller Perforationsbereiche, Grundeinstellungen der Porosität sowie im weiteren ein zentraler Bestandteil zum präventiven Erkennen von Änderungen und Trends in der Porosität, den Lochdichten und Lochgrößen während der laufenden Produktion bei Rollenlauflängen bis zu 25.000 Metern.

Weitere Verfahrensvorteile sind in der absolut sicheren Positionsbestimmung von elektrostatischen Perforationszonen mit niedrigen Porositäten von z.B. < 100 C.U. bei sehr opaken Materialbahnen zu sehen, was in der Vergangenheit mit bisherigen Meßsystemen immer wieder zu erheblichen Problemen führte.

Im weiteren haben praktische Ergebnisse gezeigt, dass ein „fliegender Porositätsmessbetrieb“ wie er aus in der Papierherstellung, bei deren Weiterverarbeitung und in der Kunststoffverarbeitung seit langer Zeit bekannt ist, also kein Verweilen des Porositätsmesskopfes auf der jeweiligen Perforationsspur oder Lochreihengruppe, ein gleichwertiges und darüber hinaus mit den eingangs angeführten, geringen Messtoleranzen behaftetes Porositätsergebnis, dies auch im Dauermessbetrieb, liefert. Dieses vorteilhafte Verfahren vermeidet somit auch die immense Messtotzeit, welche durch das Nichtmessen der dazwischen liegenden, unperforierten Bereiche bei einem Spurverweilbetrieb mit ständigen Starts und Stopps zwangsweise entsteht.

Nur mit dem erfinderischen Verfahren des „fliegenden“ Messbetriebes von simultaner Positionsbestimmung und Porositätsmessung von z.B. Bahnbreiten von 1200 mm, 40 Perforationsspuren sind ca. 800 Summenmesswerte pro Perforationsspur und ca. 32.000 Gesamtmesswerte innerhalb einer Produktionsrolle von 15.000 Metern bei Bahngeschwindigkeiten von 180 m/min machbar. Dagegen sind einem Zonenverweilbetrieb und einer angenommenen Verweilzeit von zwei Sekunden pro Perforationsspur die Anzahl der Summenmesswerte pro Perforationsspur und die Gesamtwerte innerhalb einer Produktionsrolle um den Faktor 10 geringer. Daher ist es für sich selbstredend, dass nur der „fliegende“ Messbetrieb die zeitlich möglichst schnelle Wiederkehr auf den einzelnen Lochreihengruppen oder Perforationsspuren ermöglicht.

Das erfinderischen Verfahren beinhaltet auch weitere Vorteile, bei der die Lichtintensitäten zur homogenen Ausleuchtung des Messfensters der Porositätsmessung durch gebündelte Strahlführung und Einzellichtquellen, so genante Power-LED’s, optisch zueinander ausgerichtet und stromgesteuert angepasst und für die unterschiedlichen Porositätsbereiche in der Summenintensität extern steuerbar sind. Da sich die kompakte Lichtquelle direkt im Messkopfgehäuse auf der Bahngegenseite der Sensorik befindet, entfallen Lichtfaserzuführungen zum Traversiersystem und die im weiteren mit der Verwendung von räumlich abgesetzten Halogenlampen verbundenen Schwierigkeiten, von anhalternder Intensitätsreduktion, hotspots und viel zu kurzer Lebensdauer von z.B. 500 Betriebsstunden.

Bei optischen online Messsystemen nicht gänzlich auszuschließende Verschmutzungen oder Partikelbelegungen der Messfenstern werden bei dieser Erfindung vorteilhaft durch eine gezielte Spülluftführung über die Messfenster, das zeitweise Einfahren des Messspaltes in eine Reinigungs- oder Bürsteneinrichtung, sowie die Referenzstrahlaufnahme durch das Porositätsmeßsystem außerhalb der Materialbahn dauerhaft kompensiert.

Alle optischen Porositätsmeßsysteme arbeiten als Relativmesssystem, so dass eine Kalibrierung der optischen Porositätsmesswerte den pneumatisch-statisch gemessenen Gasdurchlässigkeitswerten zugeordnet werden muss. Auch hier eröffnet das erfinderische Verfahren und deren Vorrichtung weitere Vorteile indem unmittelbar nach dem ersten vollen Messzyklus die Produktionsmaschine gestoppt und die Materialbahn statisch gemessen wird. Vorzugsweise bilden hierbei drei Einzelmesswerte über eine Länge von einem Meter einen Mittelwert für jede Lochreihengruppe oder Perforationszone die im PC System als Zuordnung des Porositätsintegrales, bestehend aus der Mittelung von zwei Einzelwerten durch die Vor- und Rückbewegung der Traversierachse, eingegeben werden. Die programminterne Berechnung und Anzeige erfolgt dann danach immer nach dem sich daraus abgeleitetem Umrechnungsfaktor für jede Lochreihengruppe und Perforationszone.

Es ist leicht einzusehen, dass nur durch den zeitlich unverzögerten Ablauf von optischer und pneumatischer Messung an fast gleicher Stelle der Materialbahn vergleichbare und reproduzierbaren Porositätsergebnisse erzielbar sind, da sich die Porositätsverläufe bei weiter durchlaufender Bahn gegenüber der aktuellen, optischen Porositätsmessung gravierend verändern könnten. Dies stellt einen weiteren Vorteil des erfinderischen Verfahrens heraus.

Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner von einer Vorrichtung zur optischen Porositätsmessung und Positionsbestimmung von Perforationen mit einem Dual-Sensorsystem für laufende Bahnen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 22 gelöst.

Danach ist die Vorrichtung so ausgestaltet, dass auf einer Seite der Materialbahn sich beide Strahlzuführungssysteme zur Positionsbestimmung und Porositätsmessung auf gleicher Querachse, aber räumlich in deren Richtung versetzt, auf gleicher Traversierachse befinden. Auf der gegenüberliegenden Bahnseite und in der X- und Y-Achse deckungsgleich, sind die beiden Sensorgehäuse auf der anderen Verfahrachse angeordnet. Beide Verfahrachsen bewegen sich absolut synchron und können mechanisch starr gekoppelt sein oder auch aus zwei getrennten Einheiten bestehen. Ein an den Achsen absolut schlupffrei angekoppelter Inkrementalgeber liefert stets die aktuelle Position mit entsprechend hoher Auflösung.

Der geometrische Abstand beider Sensorachsen in Bahnquerrichtung, also nicht in gleicher Richtung wie die Transportrichtung der Perforationsspuren oder Lochreihengruppen, ist fest und für die Berechnung innerhalb der Software und Datenauswertung berücksichtigt. Durch den räumlichen Querversatz beider Sensorsysteme haben sich weitere, erfinderischer Vorteile in der Praxis gezeigt. Damit ist es erstmalig möglich, stochastisch auftretende Veränderungen in den Lochbildern, Perforationsprofilausbildungen, Änderungen innerhalb der Lochreihengruppen oder Perforationszonen welche z.B. durch Schleifspuren, Makroeinrisse, Lochaussetzern, Teilzonenaussetzern, starken Zoneneinfärbungen oder anderen Auswirkungen des Perforationsprozesses kurzzeitig auftreten können, selektiv zu erfassen, und je nach Ereignis, dies berücksichtigt oder unberücksichtigt zu betrachten.

Alle Analogdaten beider Sensorsysteme werden mit einer handelsüblichen Multiprozessorkarte aufgenommen und im Master PC-Betrieb weiterverarbeitet. Die Multiprozessorkarte übernimmt Hard- und Softwaretechnisch ebenso die Stromsteuerung für die gemeinsame Lichtquelle, die Signalverarbeitung des Inkrementalgebers für die aktuelle X-Achsenposition und die Datenerzeugung und Transfer zur Positionierung der Verfahrachsen. Durch den Multiprozessorbetrieb mit zwei eigenständigen Prozessprogrammen lassen sich die schnellen Verfahrbewegungen und hohen Abtastraten für die Sensorik von bis 20 KHz problemlos generieren. Zur Prozessvisualisierung und für die statistischen Auswertungen sind standardisierte Auswertemethoden mit fertigen Softwarepaketen, z.B. LABVIEW oder ARGUS, einsetzbar.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten, weiterzubilden und anzugeben. Dazu ist einerseits auf die in den Patentansprüchen 1 – 30 beschriebenen Ausführungen, und andererseits auf die nachfolgenden Erläuterungen mehrer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen zu verweisen.

In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung und mittels der Zeichnungen werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.

Die Zeichnungen zeigen im Einzelnen :

Fig. 1 : schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem Materialbahnauszug für Laserperforationen

Fig. 2 : schematische Seitenansicht der in Fig. 1 dargestellten erfinderischen Vorrichtung
Fig. 3 : vergrößerte Draufsicht der Strahlausbildung auf der Materialbahn mit der Vorrichtung nach Fig. 1
Fig. 4 : Seitenansicht einer erfinderischen Vorrichtung mit drei Power-LED’s zur Erzeugung der Flächenausleuchtung
Fig. 5 : Seitenansicht einer erfinderischen Vorrichtung mit einer Quad-Power-LED zur Erzeugung der Flächenausleuchtung
Fig. 6 : Signaldiagramm zur Positionsbestimmung und Porositätsprofilaufnahme am Beispiel einer Laserperforation und Bobienenbahn
Fig. 7 : vergrößertes Signaldiagramm zur Positionsbestimmung am Beispiel der Laserperforation und Bobienenbahn
Fig. 8 : Signaldiagramm zur Positionsbestimmung und Porositätsprofilaufnahme am Beispiel der elektrostatischen Perforation und Breitbahn
Fig. 9 : vergrößertes Signaldiagramm zur Positionsbestimmung am Beispiel der elektrostatischen Perforation und Breitbahn
Fig. 10 : Signaldiagramm mit einem praktischen Beispiel zur Positionsbestimmung und Qualitätsbewertung von Laserlochreihen
Fig. 11 : Signaldiagramm mit einem praktischen Beispiel zur Positionsbestimmung und Profilbewertung von elektrostatischen Perforationsspuren
Fig. 12 : Lichtintensitätsverteilung einer Power-LED
Fig. 13 : optimierte und angepasste Lichtintensitätsverteilung von drei Power-LED’s zur gemeinsamen Lichtquelle

Fig. 1 zeigt die schematische Draufsicht der Traversierachse 2 mit der Querbewegung 9 in der X-Achse der dualen Messkopfeinheit 3 über die Laser perforierte Materialbahn 1, welche bei diesem Beispiel für zwei volle Bobienen 4 mit jeweils zwei Laserlochreihengruppen 5 dargestellt ist, die später aus der fertig perforierten Rolle geschnitten werden. Die Transportrichtung 10 der Materialbahn ist in der Y-Achse und ein Bobienenabschnitt mit 41 kennzeichnet. Zum besseren Verständnis sind die Laserlochreihengruppen 5 im vergrößerten Maßstab dargestellt.

In Fig. 2 ist eine schematische Seitenansicht der dualen Messkopfeinheit 3 ausgeführt, in der die Separation und der räumlich feste Versatz 6 der Positionsbestimmungs- 7 und Porositätsmessstrahlung 8 zur X-Querachse 9 verdeutlicht ist. Der Versatz 6 kann bei diesem erfinderischen Beispiel z.B. 50 mm betragen, und dies völlig unabhängig den geometrischen Positionen oder so genanten Standardregistern der Perforationen, welche die Mittenabstände 11 der Perforationsspuren 5 und deren Randbereiche über die Bobienenbreite definieren. Größere Abstände 6 als z.B. 60 mm sind weniger sinnvoll, da sich damit die Ausfahrposition der Messköpfe außerhalb der Materialbahnkanten unnötigerweise vergrößert. Gegenseitige, optische Beeinflussungen der Strahlengänge von Positionsbestimmung 7 und Porositätsmessung 8 sind aufgrund der unterschiedlich ausgebildeten Strahlprofile und Strahlarten ausgeschlossen. Ebenso haben Tageslicht oder Raumbeleuchtungen keinen Einfluss auf beide Meßsysteme, da der enge Messspalt einen Lichteinfall nicht zulässt.

In diesem Vorrichtungsbeispiel ist der Messspalt 12 für beide Strahlquellen 7 und 8 gleich und beträgt beispielsweise 4 mm. In der Praxis haben sich Messspalte zwischen 3 – 8 mm bewährt.

Die äußeren Abmessungen der Dual-Messkopfeinheit 15 und 16 lassen sich bei diesem Beispiel auf jeder Bahnseite mit 80 mm Breite, 60 mm Tiefe und 60 mm Höhe angeben, wodurch sich eine sehr kompakte Einheit aufbauen lässt.

Die Spülluftführung mit feinem Luftstrom zur Fernhaltung von Schmutzpartikeln und Perforationsausgasungen an den Lichtaustritts- und Eintrittsfenstern 13 ist der Einfachheit nicht weiter erläutert.

Des weiteren sind in diesem Vorrichtungsbeispiel auch nicht der außerhalb der Materialbahn befindliche Schmutzabstreifer oder Reinigungsbürste dargestellt.

In dieser Seitenansicht bedarf das bekannte Durchstrahlungsprinzip mit Lichtwellenlängen keiner weiteren Erläuterung, da es eingehend in den genanten Patentschriften erläutert ist.

Die optische Projektion des feinen Punkt- oder Linienlasers 7 zur Positionsbestimmung ist in Fig. 3 vergrößert dargestellt. Zur Verdeutlichung der Perforation sind die Laserlochreihengruppen 5 gegenüber dem realen Maßstab vergrößert dargestellt. Der Punkt- oder Linienlaser 7 hat in vorzugsweise einen Punktdurchmesser von kleiner als 0.5 mm. Praktische Ergebnisses haben gezeigt, dass für eine optische Selektion der einzelnen Laserlochreihen 11, z.B. bei einem Mittenabstand von 1.0 mm, eine Ortauflösung von +/- 0.1 mm, auch bei sehr hohen Bahngeschwindigkeiten 10 bis zu 600 m/min und Verfahrgeschwindigkeiten 9 bis 200 mm/Sek. in Querrichtung problemlos möglich sind. Linienlaser 7 mit einem Profil von z.B. 0.2 mm Breite und 5 mm Länge sind noch besser geeignet, weil deren Projektsfläche in der Querrichtung noch wirksamer ist. Derartige Punkt- oder Linienlaser 7, die im Wellenlängenbereich von 600 nm bis 900 nm arbeiten, werden z.B. bei der Firma Schäfter und Kirchhoff in verschiedenen Ausführungen angeboten. Zur Positionserfassung des Punkt- oder Linienlaserstrahles kommen auf der anderen Bahnseite konventionelle Fotodioden mit integriertem Vorverstärker, häufig bestehend auch Dual- oder Quad Dioden, exakt abgestimmt auf die Wellenlänge des Lasers und mit einem Kolimatorlinsenvorsatz versehen, zur Anwendung. Diese sind Stand der Technik und für eine Vielzahl von anderen Applikationen ausführlich beschrieben. In diesem erfinderischen Beispiel ist deren Sensorik nicht dargestellt.

Fig. 4 verdeutlicht den optischen Aufbau der im Messkopf integrierten Lichtquelle mit drei Power-LED’s 14 zur Lichtstrahlerzeugung für die Porositätsmessung 8. Diese leistungsstarken und meist im Wellenlängenbereich von 700 nm bis 900 nm strahlenden Power LED’s 14 weisen nach dem heutigen Stand der Technik Lichtstärken bis zu 8 cd und Lichtströme bis 40 lm auf. Im elektrischen Pulsbetrieb sind Lichtintensitätserhöhungen bis zum Faktor 25 machbar.

Um die Gaussche Intensitätsverteilung 16 jeder Einzel LED’s, wie dies aus Fig. 12 zu ersehen ist, zu einer weitestgehend homogenen Ausleuchtung der Messfläche 17 anzupassen, werden in dieser beispielhaften Vorrichtung drei Power LED’s 14 räumlich auf der X-Achse und Y-Achse 21 diagonal so versetzt angeordnet sowie über in der Stromsteuerung so angeglichen, das sich eine Intensitätshüllkurve 17 mit möglichst geringer Welligkeit des Plateaus 18 ausbildet. Dies ist in Fig. 12 und 13 mit den Intensitätsdiagrammen verdeutlicht. Der Bereich 19 definiert die Größe der optischen Strahlabbildung 8 nach den Sammellinsen 23 und 24 am Messfensteraustritt.

Eine homogene Ausleuchtung in der X- und Y-Achse 26 der Messfläche ist deshalb so bedeutend, weil nur hiermit eine bestmögliche Symmetrie und Vergleichbarkeit zum realen Perforationsprofil, insbesondere in den Perforationsrandbereichen und völlig unabhängig von der Perforationsart, erreichbar ist.

Die Lebensdauer von stromgesteuerten oder stromgepulsten Power LED’s 14 wird von den Herstellern mit bis zu 25.000 Betriebsstunden angegeben, so dass ein Bauteileaustausch praktisch erst nach mehren Betriebsjahren infrage kommt. Dies schafft eine vorteilhafte Situation gegenüber der Verwendung von Halogenlampen mit viel zu geringen Betriebsstunden, wie dies eingangs erwähnt ist.

Zur Strahlzusammenführung der räumlich versetzten Power-LED’s 14 ist ein spezieller, halbdurchlässiger Spiegel oder eine diffraktive Linse 20 in Richtung der Strahlführung zum Messfenster 22 angeordnet. Diese optischen Komponenten sind aus der Analysetechnik und Partikelkonzentrationsmessung bekannt. Die beiden Sammellinsen 23 und 24 haben unterschiedliche Durchmesser und Brennweiten um die relativ breite Abstrahlung der Power-LED’s auf das gewünschte runde oder auch quadratische Strahlprofil 8 von z.B. 6 mm Durchmesser oder 6 * 6 mm zu fokussieren und auf die Materialbahn 1 zu projektieren.

Die Sensorik für die Porositätsmessung 16 auf der gegenüberliegenden Bahnseite ist in konventioneller Weise aufgebaut und beinhaltet das Fotodiodenelement 25, ebenfalls in als vorzugsweise Ausführung mit integrierten Vorverstärker auf einem Keramikchip. Hierbei sind Einzel-Fotodioden aber auch monolithische Dual-Fotodioden 25 wie auch Quad-Fotodioden 31 einsetzbar, welche in der Spektralempfindlichkeit weitestgehend mit den Power-LED’s übereinstimmen. Deren Position kann direkt aber auch etwas hinter dem Brennpunkt 28 der letzten Sammellinse 23 ausgerichtet sein, um eine bestmögliche optische Abbildung auf deren photoempfindlicher Fläche zu erhalten.

Im Sensorgehäuse ist die Strahlführung für die Fotodioden ist in reziproker Richtung wie die Strahlzuführung der Power-LED’s mit den beiden Sammellinsen 23 und 24 ausgeführt.

Zur Detektion des feinen Punkt oder Laserlichtstrahles der Positionsbestimmung sind vorzugsweise Einzel- oder Dualfotodioden mit kleiner fotoempfindlicher Fläche von z.B. je 0.5 * 0.5 oder 1 * 2 mm oder so genannte PSD-Positionssensoren eingesetzt, die speziell für diese Applikationen und im Spektralbereich passend vorgesehen und im Markt erhältlich sind. Zur Porositätsmessung haben sich Einzelfotodioden oder Quad-Fotodioden, deren fotoempfindlichen Flächen meist 3 * 3 mm oder 4 * 2 * 2 mm betragen und integrierte Vorverstärker auf dem gleichen Chip beinhalten, gut bewährt.

Abschließend sei noch erwähnt, dass im erfinderischen Aufbaubeispiel durch den relativ engen Messspalt jegliche Bandpass- oder weitere Filterkomponenten entfallen.

Ein anderes erfinderisches Beispiel mit nur einer leistungsstarken Quad-Power-LED 29 verdeutlicht die Fig. 5. Daraus resultiert eine runde und mir einer Vierpunkt-Strahlkonzentration ausgebildete Messfläche 30, die sich in gleicher Form auf das Quad-Fotodiodenelement 31 abbilden lässt. Praktische Untersuchungen haben gezeigt, dass mit diesem Ausführungsbeispiel ein gleich gutes Porositätsmessergebnis erzielbar ist. Da sich die Intensitätsverteilung der Vierpunkt-Strahlkonzentration zueinander nicht anpassen und optimieren lässt, entstehen leichte Konturverzerrungen in den Randbereichen der Perforationsprofile.

Die dynamische Signalaufnahme bei den Quer zur Materialbahn ausgeführten Bewegungen zur Positionsbestimmung und Porositätsmessung ist nunmehr in den Figuren 6 bis 9 ausführlich erläutert. Fig. 6 und 7 zeigen hierbei die Detektionsergebnisse für Laserperforationen und Fig. 8 und 9 analog dazu die Verhältnisse für elektrostatische Perforationen auf.

Deutlich sind in Fig. 6 und 7 die Ortselektionen der Einzellochreihen 42 innerhalb einer Lochreihengruppe 5 und der Lochreihen zueinander in der X-Achse 9 und die Analogspannungen der Fotodioden als Detektionsgrad in der Y-Achse 32, im oberen Diagramm ausgewiesen. Die X-Achse 9 ist in mm skaliert, vorzugsweise mit einer Teilung von 0.1 mm, und die Y-Achse 32 entspricht dem Spannungsausgang in V, vorzugsweise bis 10 V.

Die sich zur linken Bahnkante 38 ergebenen Einzelabstände 34, 35, 36 und 37 sind während der Querbewegung mit dem angekoppelten Inkrementalgeber und einer feinen Teilung von z.B. 0.05 mm, aufgenommen und jetzt berechenbar. Als Kriterium für einen Lochreihen- oder Perforationsspurbeginn wird ein Schwellenwert 38 definiert und gesetzt, deren Überschreitung den Beginn 39 und die Unterschreitung das Ende 40 eindeutig markiert. Aus deren Mittelung errechnet sich das relevante Maß der Lochreihenmitte 11.

Hierzu ein praktisches Bespiel für eine einzelne Bobiene 41, was repräsentative übertragbar auf weitere Bobienenabschnitte über die Bahnbreite bei Breitbahnen gilt. Bobienenbreite 41 von 50.0 mm, Lochreihenabstand 34 von 12.1 mm, Lochreihenabstand 35 von 13.0 mm, Lochreihenrandabstand 36 von 37.1 mm, Lochreihenrandabstand 37 von 38.1 mm, bezogen auf die linke Bobienenkante. Diese beispielhaften Abstände und Abweichungen sind für ein so genanntes Standardraster von 24 zu 26 mm bei einem Lochreihenmittenabstand von 1.0 mm und jeweils zwei Lochreihen pro Lochreihengruppe zu treffend. Die 24 mm errechnen sich aus den 2*12 mm der Lochreihenmittenabstände beider Bahnkanten 38 und die 26 mm nach der Subtraktion der Bobienenbreite 41 von 50 mm.

In Fig. 7 sind vergrößert diese Signalverläufe und daraus gewonnenen Geometrien, aus denen auch die eingangs angesprochenen Perforationsqualitäten der Einzellochreihen 42 auswertbar sind, dargestellt. Ein Qualitätsmerkmal der Perforationslochreihen ist deren Konturschärfe und Profilform, wie dies als ein gutes Beispiel zu ersehen und als gefordertes Qualitätsniveau erwartet wird. Daher ist leicht einzusehen, dass stärke Veränderungen der Lochqualitäten die z.B. durch nicht korrekte Laserstrahlfokussierung, geringe Veränderungen des Laserstrahles, Verschmutzungen der Laserperforationsköpfe oder der Einzelstrahllinsen mit abgeschwächten Lochenergien usw. auftreten und deutlich erkennbar sind, und somit mit der digitalen Signalverarbeitung und der Prozess-Software nach den Referenzvorgaben identifiziert, bewertet und visualisiert werden können.

Als weiteres Beispiel zur sensorischen Aufnahme der Konturschärfe und Selektion von Einzellochreihen für Laserperforationen ist Fig. 10 beigefügt. Hierbei ist die Ortbestimmung für drei einzelne Laserlochreihen 42 bei einer Gesamtporosität von 380 C.U. ausnahmsweise statisch durchgeführt, um gleichermaßen zu zeigen, dass selbst der Versatz der Einzellöcher zu den Lochreihen untereinander in der Y-Achse der Bahntransportrichtung, bedingt durch die bei dieser Perforationsart verwendeten, rotierenden Spiegel, deutlich markiert ist.

Im weiteren sind in Fig. 6 - 9 das mit dem Sensor 8 detektierte Porositätssignal 43 im unteren Diagramm darstellt. Deren Aufnahme erfolgt, wie sich aus dem geometrischen Versatz 6 ergebend und zuvor erklärt, zeitlich nach der Positionserfassung der Perforationslochreihen oder Spuren. Das Flächenintegral, definiert durch die Perforationszone oder Spurbreite 44, deren Betrag 33 und der Profilform, bestimmt den optischen Porositätswert, der dann als einzelner Porositätswert programmtechnisch verarbeitet wird. In den nachfolgenden Beschreibungen ist auch die Hüllkurvenbildung erläutert.

Werden die eingangs angeführten Abtastkriterien und Verfahrgeschwindigkeiten zugrunde gelegt, so ist leicht einzusehen, dass sich eine genügend große Anzahl von Stützpunkten zur Hüllkurvenbildung für das Porositätsintegral 43 kumulieren lässt.

Diese Vorgehensweise beinhaltet auch die Integration aller Einzellochreihen zur Porositätsbildung bei der Laserperforation. Daher auch die zwingende Notwendigkeit der qualitativen Einzellochreihenbewertung, weil nur so die Veränderung von Einzellochreihen als Auswirkung in der Gesamtporosität oder deren Schwankungen erkennbar sind und rückführende Einwirkungen und automatisierte Verstellungen auf das Perforationssystem ermöglichen.

Hierzu ein praktisches Beispiel :

Transportgeschwindigkeit der Materialbahn 1 : 240 m/min
Gesamtbreite der n-Perforationslochreihen oder Perforationsspuren : 3 mm
Verfahrgeschwindigkeit der Sensorik 7 und 8 : 200 mm/Sek.
Abtastrate der A/D-Wandlung : 20 KHz
Hüllkurvenwerte : 20.000 Samples/Sek. / 200 mm/Sek. = 100 Samples/mm * 3 mm = 300
Verfahrzeit v über die Breite von 3 mm = s/t = 3 mm / 200 mm/Sek. = 15 ms
Verfahrlänge s der Materialbahn = v * t = 4000 mm/Sek. * 0.015 Sek. = 60 mm

Somit werden bei diesem Beispiel diagonal 60 mm Messlänge in der Transportrichtung, über eine Gesamtperforationsbreite von 3 mm und insgesamt 300 Stützpunkte der Hüllkurve zur Bildung des Porositätsintegrals aufgenommen, und deren Zahlenwert der optischen Porosität in C.U. nach der Kalibrierung zugeordnet. Diagonal deshalb, weil beide Relativbewegungen der Materialbahn in Y-Richtung 10 und die der Verfahreinheit in X-Richtung 9 während jedes Messzeitpunktes wirksam sind.

Wie im weiteren aus Fig. 6 zu erkennen ist, hat der im Bobienenabschnitt zu erkennende Goldstreifen 44 keinen Einfluss auf das Bildung des Porositätsprofils und daraus abgeleiteten Porosität einer jeden Perforationszone. Wohlgleich ist eine leichte Reduktion des Laserlichts 45 auf der Sensorseite erkennbar.

Daher wird vorteilhafter Weise in allen Zwischenbreichen 56 ein Transparentmesswert der Materialbahn bei jeder Querbewegung aufgenommen, deren Mittelwert, wie zur Kalibrierung beschrieben, als Offset berücksichtigt.

Analog zu Figur 6 und 7 zeigen die Figuren 8 und 9 die zuvor beschrieben und übertragbaren Verhältnisse für elektrostatisch erzeugte Perforationszonen 45 oder Bereiche über eine Breitbahn, hier beispielhaft für drei Bobienenabschnitte 46, auf. Diese Bahnen können vorzugsweise und wie eingangs erwähnt, Zigarettenpapier- oder auch Mundstückbelagpapiere sein, welche in Bahntransportrichtung generierte Perforationszonen oder Bereiche aufweisen. Das Arbeitsprinzip zur Positionsbestimmung sowie Porositätsprofilerfassung, Porositätsintegralbildung und Porositätszuordnung entspricht denen der Figuren 6 und 7.

Nach den Vergrößerungen aus Fig. 9 lassen sich die einzelnen Zonenpositionen und Breiten 47 beispielhaft ermitteln :

Die Differenz der Einzelpositionen 49 zu 48, 51 zu 50 und 53 zu 52 zur Bezugsbahnkante 38 definieren die Zonenbreite einer jeden Perforationszone oder Perforationsbereiche.

Nachstehend ein praktisches Zahlenbeispiel für den ersten Bobienenabschnitt 46.

Bahnkante 38 = 100.0 mm, Position 48 = 111.0 mm, Position 49 = 115.1 mm, Position 50 = 135.0 mm, Position 51 = 138.9 mm, Position 52 = 161.0 mm, Position 53 = 165.0 mm
Rechnerische Bobienenbreite = ( ( Position 52 + 53 ) / 2 ) – (( Position 49 + 48 ) / 2 ) = 49.95 mm.
Danach folgend die Zonenbreiten für die Zone 1 : Position 49 – 48 = 4.1 mm.
Für Zone 2 : Position 51 – 50 = 3.9 mm und Zone 3 mit Position 53 – 52 = 4.0 mm.
Das Rastermaß, in Praxis angegeben zu den Mittenabständen der Zonen, errechnet sich zu :
(( Position 50 + 51 ) / 2 ) – (( Position 48 + 49 / 2 ) = 23.9 mm.

Für die beiden Außenbereiche einer jeden Bobiene :

Bobienenbreite 46 = 49.95 mm – Rastermaß 23.9 mm = 26.05 mm.

Für das hier angeführte Beispiel wäre in der Praxis ein Zonenraster und die Zonenabstände mit 24 zu 26 mm bei einer Bobienenbreite von 50 mm vorgegeben.

Wie eingangs erwähnt und in dieser Produktionstechnik bekannt, wir nach dem Perforationsprozess die breite Materialrolle zu einzelnen Bobienen, hier als ein Abschnitt mit 46 gekennzeichnet, und dies für bis zu 40 Bobienen zugeschnitten.

Nach diesen Beispielen ist leicht einzusehen, dass sich alle weiteren Positionsbestimmungen von Zonenpositionen, Zonenbreiten, oder Perforationsbereiche über die Bahnbreite berechnen und ausweisen lassen.

Die Bildung der Perforationsprofile 47 und Integralwerte für die Porosität folgen in gleichen Weise dem Ablauf, wie dies schon für die Laserperforationen der Figuren 6 und 7 erläutert ist.

Ergänzend zu den Figuren 8 und 9 sind in Figur 11 für die elektrostatischen Perforationszonen 45 das Porositätsprofil 54 beispielhaft für zwei Zonen statisch detektiert. Durch die Einzelstützpunke von n-Messwerten 55 bildet sich die jeweilige Hüllkurve 54 aus, die dann das Perforationsprofil und Porositätsintegral bildet. Deutlich sind in diesem Bespiel die Unterschiede zwischen der Zone 1 und 2 in Profilform in der Betragsachse 33 zu erkennen. Die X-Achse 9 hat bei diesem Beispiel eine Feinteilung von 0.1 mm, so dass sich aus den Startpunkten 48 und 50 sowie den Endpunkten 49 und 51 die jeweiligen Zonenbreiten 47 sowie die weiteren Positionsdaten, wie oben angegeben, berechnen.

Daher ist leicht einzusehen, dass eine Kontrolle des Perforationsprofils 54 jeder einzelnen Laserlochreihe, Lochreihengruppen und elektrostatischen Perforationszone oder Perforationsbereiches nach dem erfinderischen Verfahren nur zusammen mit der Positionsbestimmung und Bildung des Perforationsprofils gemäß der beispielhaften Vorrichtungsausführungen, möglich ist.

Wie durch Stand der Technik bekannte Kontrollmaßnahmen, z.B. die Vorgabe von Referenzprofilen mit Unter- und Obergrenzen, ist dies für diese Anwendung übertragbar, so dass bei jedem Verfahrzyklus der Messkopfeinheiten die Lochqualitäten und Perforationsprofilen erfassbar, vergleichbar und angebbar sind.

Dies sind weitere Vorteile des neuen Messverfahren und deren Vorrichtung um die eingangs aufgestellten Qualitätskriterien der Perforationsprodukte in-line und möglichst ohne Zeitverzüge zu erfüllen und perforationstechnisch auf deren Ausgleich und Einhaltung kompensatorisch einzuwirken.

Ausgehend vom berechneten Porositätsintegral, deren mathematische Bildung allgemein bekannt ist, und der Wertezuweisung zur statisch gemessenen Porosität in C.U., z.B. mit einem Gerät der Firma Borgwaldt oder Sodimat, ist ein wesentlicher Punkt zu beachten. Die Verfahrgeschwindigkeit der Messköpfe 3 zur quer im Messspalt durchlaufenden Materialbahn 1 darf nach dem Kalibrierungsprozess nicht mehr verändert werden, da sich ansonsten die zeitliche Abtastrate auf der X-Achse 9 ändern würde, was verkürzte oder verlängerte Messabschnitte über den Perforationsbereich zur Folge hat, und somit Abweichungen zur vorherigen Zuordnung der tatsächlichen Porosität führen würde. Dies haben praktische Ergebnisse gezeigt. Da die Materialbahngeschwindigkeiten während des Perforierens konstant bleiben, ändert sich dieser Produktionsparameter nicht.

Als Ergänzung der beispielhaften Vorrichtungen für die optische Porositätsmessung 8 kommen auch kompakte Farbsensoren mit den dazugehörenden chromatischen Lichtquellen in frage, dies haben praktische Test in eindeutiger Weise bestätigt. Mit deren vier analogen Ausgangssignalen der Lichtintensität und drei Grundfarben Rot, Blau und Grün ist möglich, ein nahezu gleichwertiges Porositätsintegral 54 gegenüber der zuvor beschriebenen Anordnung nach Umformung und Umrechnung dieser vier Einzelsignale zu erzeugen.

Die erfinderische Vorrichtung beinhaltet im weiteren hier nicht dargestellte Einrichtungen zur digitalen Signalerfassung zur und auf der Multiprozessorkarte sowie dem Master PC, für die von beiden Meßsystemen der Positionsbestimmung und Porositätsmessung erfassten Analogsignale und Ausgangsstromsteuerung für die Power-LED’s. Im Weiteren auch die Prozesssoftware, mit der die beschriebenen Mess- und Verfahrensabläufe erzeugt, kontrolliert, visualisiert und ausgegebenen werden.

Abschließend sei hervorgehoben, dass die erfinderische Lehre durch die angeführten Ausführungsbeispiele lediglich erläutert, jedoch keinesfalls eingeschränkt ist. Vielmehr lässt die erfindungsgemäße Lehre auch weitere Verfahrensschritte und Vorrichtungsvarianten zur optischen Positionserfassung und Porositätsmessung mit einem Dual-Sensorsystem für laufende Bahnen zu, die andere bzw. weitere konstruktive Merkmale aufweisen.

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur optischen Porositätsmessung und Positionsbestimmung von Perforation in laufender Materialbahn (1), insbesondere der Papierbahn, in denen die Perforationen als Lochreihen, Lochreihengruppen (5) für Laserperforation und Zonen oder Perforationsbereiche (45) für elektrostatische Perforationen in mindestens zwei getrennten Bereichen (41,46) ausgebildet und im wesentlichen parallel zur Transportrichtung der Bahn (10) eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahn (1) mit zwei getrennten und in der X-Querachse räumlich fest versetzten optischen Strahlsystemen (7,8) durchstrahlt wird und die Positionserfassung der Perforationen (11,47) und die Porositätsmessung (43,54) bei gleicher Querbewegung über die Bahnbreite (9) an verschiedenen Orten zu unterschiedlichen oder gleichen Zeitpunkten, simultan erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Positionserfassungen und Ortsbestimmungen der Perforationen (11,47) und örtlich getrennten Porositätsmessungen (43,54) im fliegenden Messbetrieb und ohne Verweilzeiten auf den Perforationen oder Zwischenbereichen in Querrichtung (9) zur bewegten Materialbahn (1) ablaufen.

3. Verfahren nach einem oder mehren der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmung (11,47) der Perforation bei der ersten Querbewegung (9) räumlich immer vor der Porositätsmessung stattfindet und im Rücklauf sich die Reihenfolge umkehrt, so dass die Porositätsmessung (43,54) räumlich vor der Positionsbestimmung der Perforationen stattfindet.

4. Verfahren nach einem oder mehren der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahndurchstrahlung mit zwei getrennten Strahlquellen als Linien- oder Punktlaser (7) mit fester Wellenlänge im Bereich von 600 – 700 nm und einer chromatischer Strahlquelle mit deutlich größerem Strahlquerschnitt (8) im Wellenlängenbereich von 650 – 1000 nm erfolgt.

5. Verfahren nach einem oder mehren der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlprofil zur Positionserfassung (7) einen Punktdurchmesser von 0.5 mm oder als Strichlaser die Abmessungen von 0.4*10 mm auf der Bahn (1) nicht überschreitet.

6. Verfahren nach einem oder mehren der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlprofil zur Positionsbestimmung (7) mit der längeren Rechteckseite parallel zur Bahntransportrichtung (10) und den Perforationsbereichen (11) ausgerichtet ist.

7. Verfahren nach einem oder mehren der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Porositätsmessung der Strahldurchmesser (8) auf den Perforationen mindestens 6 mm oder die quadratische Ausleuchtung mindestens 6 * 6 mm beträgt.

8. Verfahren nach einem oder mehren der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle zur Porositätsmessung aus mindestens zwei Leistungs-LED’s (14) besteht, die diagonal und räumlich versetzt (21) und im gleichen Gehäuse 815) unmittelbar über der Bahn (1) angeordnet und stromsteuerungstechnisch so angepasst sind, dass sich ein nahezu homogenes Rund- oder Rechteckprofil zur Ausleuchtung (8) auf der Materialbahn (1) einstellt.

9. Verfahren nach einem oder mehren der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die exakte Position der Materialbahn (1) in der Perforationsmaschine, jede einzelne Perforationszone (45), deren Breite und Mittenabstände (24) sowie einzelne Laserlochreihenpositionen (11,34,35,36,37,38,39,40) zu jeder Querverfahrbewegung (9) erfass- und bestimmbar ist.

10. Verfahren nach einem oder mehren der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass der räumliche Abstand (6) der beiden getrennten, mechanisch fest gekoppelten Sensorsysteme zur Positionsbestimmung und Porositätsmessung (7,8) einen Mindestabstand von mindestens 30 mm auf gleicher Querachse (9) zur Bahntransportrichtung (10) aufweist.

11. Verfahren nach einem oder mehren der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Positionsbestimmung und Porositätsmessung eine kontinuierliche Überwachung und Qualitätskontrolle einzelner Laserlochreihen, (42) Lochreihengruppen (11), Perforationsprofilen (54), Zonenbreiten (47), Zonenpositionen (48,49,50,51,52,53) und Perforationsbereichen mit jeder Querbewegung (9) der Sensorik möglich ist.

12. Verfahren nach einem oder mehren der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Porositätsmessung die Transparenzdaten der Materialbahn in jedem Zwischenraum (56) der Perforationslochreihengruppen (11), Perforationszonen (45) oder Bereichen, wo keine Bedruckungen und Texturen sich befinden, aufnehmen und diese zum Mittelwert bilden, der als Abzug in Form eines Material Offsets zu den Porositätseinzelwerten verfügbar ist.

13. Verfahren nach einem oder mehren der Ansprüche 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei jeder Querbewegung (9) über die Perforationslochreihengruppen (11), Perforationszonen (45) oder Perforationsbereiche bei fester Abtastfrequenz und fester Querverfahrgeschwindigkeit eine detektierte Hüllkurve (55) ausbildet, aus der das Porositätsintegral (54) und der optische Porositätswert bestimmbar ist.

14. Verfahren nach einem oder mehren Ansprüchen 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Porositätswert (54) einer jeden Perforationslochreihengruppe (43) oder Zone ( 45) über eine festen Umrechnungsfaktor der pneumatischen Porosität bei der Kalibrierung zuordnet ist.

15. Verfahren nach einem oder mehren der Ansprüche 1 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die Sensorik (15/16) der Porositätsmessung (8) bei Bahnstillstand außerhalb der Materialbahn (1) die Referenzmessung zur Durchstrahlung des Messfensters (8) als Indikator für Verschmutzungen und deren automatischer Kompensation durchführt und aufnimmt.

16. Verfahren nach einem oder mehren der Ansprüche 1 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ für die Sensorik der Porositätsmessung ( 15,16) ein hochempfindlicher Analogfarbsensor mit vier Analogausgängen für die Lichtintensität und Grundfarben Rot, Grün und Blau sowie einer kompakten chromatischen Lichtquelle einsetzbar sind.

17. Verfahren nach einem oder mehren der Ansprüche 1 - 16, dadurch gekennzeichnet, dass automatische Signal- und Datenausgaben zur moderaten Perforationsnachstellung mit Rückführung in das Perforationssystem für jeden einzelnen Perforationskanal und Perforationsbereich ( 5,45) vorgesehen sind.

18. Verfahren nach einem oder mehren der Ansprüche 1 - 17, dadurch gekennzeichnet, dass alle analogen Eingangssignale in digitale Daten umgewandelt und weiterverarbeitet werden.

19. Verfahren nach einem oder mehren der Ansprüche 1 - 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur schnell